提高注水泵運行效率的精細調控方法

梁振輝（大慶油田有限責任公司第六采油廠）

“十三五”以來喇嘛甸油田注水耗電逐年上升，截止2019 年底，全廠共建有注水站25 座，配水間86 座，注入站58座，注水井4 480口，各類注水干線363 km；注水站共安裝高壓注水機組85 套，總注水能力為45.29×104m3/d，實際運行機組 44 套，平均注水量為34.47×104m3/d，平均負荷率為76.11%。注水系統年耗電7.14×108kWh ，年運行注水泵15 838 臺次，日均運行注水泵43.50 臺次，注水系統平均泵水單耗5.90 kWh/m3，泵出口壓力16.16 MPa，泵管壓差0.76 MPa。

1 存在問題及治理措施

1.1 存在問題

GB/T 31453—2015 油田生產系統節能監測規范，規定了各種額定排量泵型的效率評價指標，例如額定排量為400 m3/h 的泵，泵效達到78%及以上，高于節能評價值，該泵就處在高效區運行；泵效在72%～78%，該泵就處于合理區運行；泵效低于72%，該泵就處于低效區運行。注水泵泵效評價指標見表1。

統計分析2019 年全廠85 臺高壓注水泵共啟泵運行15 838臺次，其中高于泵效節能評價值（高效區）運轉的為3 949 臺次，僅占全年運行總天數的24.93%，其它在運時間均處于非高效區運行，全廠注水系統機組整體平均運行效率低，增加了注水系統的能源消耗，2019年全廠注水泵運行狀態統計匯總見表2。

表2 2019年全廠注水泵運行狀態統計匯總

1.2 原因分析

1）泵體本身有問題。由于長期運行，泵內的葉輪、導葉、口環等易損件與泵體摩擦，出現縫隙，造成水量漏失，影響了機組效率。

2）運行工況存在問題。由于注水泵的運行參數不合理，造成注水泵處于非高效區運行，工作人員通常是在注水泵啟泵待電流、壓力穩定后便不再對泵的運行參數進行調節（因沒有調控依據），管理方式比較粗獷，保證注水泵平穩、安全運行即可，經統計共有47 臺泵由于運行參數不合理而處于非高效區運行[1-2]。

表1 注水泵泵效評價指標

1.3 治理措施

1）針對泵體本身造成效率低的機組，擬通過實施低效注水泵更換或機組三保大修，更換注水泵內部葉輪、口環等磨損件，來提高機組機械性能[3]。

2）針對由運行工況問題引起效率低的機組計劃通過實施注水泵運行參數精細調控措施，使注水機組進入或接近于高效區運行，達到低耗高效運轉的目的。

2 精細調控方法的實施

2.1 精細調控方法簡介

特性曲線能直觀反映機組運行的合理性，每臺注水泵出廠時都有固定的特性曲線，但隨著運行工況的改變，特性曲線會發生變化，高效運行區間也隨之發生了偏移，注水泵運行特性曲線見圖1。

圖1 注水泵運行特性曲線

通過重新繪制注水泵在當前工況下的特性曲線，確定其高效運行區間對應各項數據參數，以此為依據，對注水泵實施精細調控，使其處于或接近于高效運行區域，從而達到降低了注水泵耗電的目的[4-5]。

2.2 特性曲線的繪制

繪制注水泵特性曲線的普遍方法：從機組啟泵到平穩運行過程中錄取8～10 個數據點，將采集到的數據信息通過計算后繪制出完整的特性曲線[6]。但是現場試驗過程中發現存在以下問題：一是運行機組停泵后如要再次啟動，為保護泵體需要有近2 h 的緩沖時間，停泵會對生產造成影響；二是機組從啟泵到平穩運行時間很短，數據參數信息變化較快且不穩定，采集數據時間不夠，無法精準采集數據[7-8]。

通過分析將特性曲線的前半部分稱為非有效區，因為在該區域內注水機組運行參數不穩定，易造成泵體損壞，機組無法長時間運行，因此這部分的特性曲線對機組運行的調控無指導意義；特性曲線后半部分機組可平穩運行的有效區域才是運行機組的可調控區間，注水泵運行特性曲線區域分布見圖2。

圖2 注水泵運行特性曲線區域分布

機組運行過程中，在有效區域內對機組參數進行調整，采集對應的電流、出口壓力數據，通過計算繪制出機組在該區域內的部分特性曲線，即可完成對注水機組運行參數的調控，實現了不停泵測試特性曲線[9-10]。

2.3 現場應用

喇五注2#注水泵精細調控現場試驗：喇五注水站共有注水泵3 臺，運1 備2，來水水質為普通水，來水壓力0.04 MPa，管網壓力14.5 MPa，試驗選取的2#注水泵額定排量300 m3/h，調控前瞬時流量368 m3/h，運行電流217 A，泵效為77.71%，根據注水泵指標規范，該泵處于高效區運行。

對喇五注2#注水注水泵進行現場測試，測試數據見表3。依據測試數據重新繪制了機組在當前工況下的特性曲線圖，喇五注水站2#泵特性曲線見圖3。

以特性曲線為依據對機組實施運行參數精細調控， 措施后2#機組的泵效由77.71%提高到80.66%，機組運行狀態更臨近高效區運行的最佳工況點，泵水單耗下降0.14 kWh/m3。

表3 喇五注2#注水泵測試數據

圖3 喇五注水站2#泵特性曲線圖

2.4 結果分析

2019 年共對18 臺注水泵實施了精細調控措施，各機組運行效率均有不同程度提高，18臺機組泵水單耗平均下降0.102 kWh/m3。個別機組調控效果不明顯（單耗下降小于0.05 kWh/m3），分析原因為：一是機組調控前已經處于高效運行區，提升空間較小；二是注水站同時啟泵2 臺，存在爭水現象導致水量不足；三是注水管網壓力高，影響了機組調控效果。注水泵調控前后效果統計見表4。

通過實驗結果得知，調控后18 臺注水機組的泵水單耗平均下降0.102 kWh/m3，單臺機組平均月度節電在2.3×104kWh 左右，電價按0.632 元/kWh計算，單臺機組每月經濟效益為1.5 萬元，18 臺機組實施精細調控措施的年經濟效益預計為300萬元，節電效果明顯。

同時依據調控前后效果對比分析，總結出適合應用精細調控方法的注水機組條件：

1）因三保大修后特性曲線會發生變化，機組運行時間臨近三保時間的注水機組不適合測試（暫定8 000 h）。

2）管網壓力直接影響特性曲線測試及調控效果，依據經驗暫定管網壓力高于15.5 MPa的不適合測試。

3）機組供水量不足影響注水泵最高測試點的采集，因此最好選擇供水量充足的注水站（單泵運行的注水站）。

表4 注水泵調控前后效果統計

3 結論

1）通過現場試驗驗證，應用注水泵合理運行精細調控方法對注水泵運行參數進行精細調控，對實現注水泵提高運行效率、降低泵水單耗的目標切實有效。

2）通過對注水機組特性曲線分析得知，在有效區域內采集對應數據信息繪制出的部分特性曲線才會對機組運行參數進行調整具有指導意義，改進了特性曲線測試方法，實現不停泵測試特性曲線。

3）通過注水泵特性曲線測試繪制出單臺注水機組在當前工況下的注水泵精細調控圖版，現場工作人員可在保證生產和安全的前提下依據圖版的調控意見，對注水機組的運行參數實施精細調控。